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矿井通风与安全,中国矿业大学,第九章通风系统设计,9.1拟定矿井通风系统9.2矿井总风量的计算和分配9.3计算矿井通风总阻力9.4选择矿井通风设备9.5概算矿井通风费用9.6生产矿井的通风系统改造9.7通风系统安全性评价,矿井通风设计是整个矿井设计内容的重要组成部分，是保证安全生产的重要环节。新建矿井和生产矿井在开拓、开采过程中都需要进行周密的通风设计。这两类通风设计的内容和方法基本相似。矿井通风设计的依据包括矿井的安全条件包括矿井沼气等级、各煤层的沼气含量、煤尘爆炸性、煤的自燃性等矿井设计的生产能力矿井的开拓方式和采煤方法采煤的年进度计划矿井和各水平的服务年限各种技术经济参数、性能的资料和有关法规与政策规定,9.1拟定矿井通风系统,一、矿井通风系统矿井通风系统包括通风方式（进、出风井的布置方式）；通风方法（矿井主通风机的工作方法）；通风网路。中央式通风系统可细分为中央并列抽出式；中央并列压入式中央分列抽出式；中央分列压入式对角式通风系统可细分为两翼对角式两翼对角抽出式；两翼对角压入式分区对角式分区对角抽出式；分区对角压入式,中央并列抽出式,（1）中央并列抽出式在地形条件许可时，进风井和出风井大致并列在井田走向的中央，二井底都开掘到第一水平，主要通风机设在出风井的井口附近，将污风抽到地表。注意出风井的井底必须和总进风流隔开，出风井的井口一般用防爆门紧闭；在岩石中做条回风石门mn，煤层倾角越大、总回风石门越短，反之越长。,用斜井开拓时，可以大致在走向的中央开掘一对并列斜井。,中央并列压入式,中央并列压入式将压入式主要通风机设置在进风井的井口附近，新风自地表压入井下。注意进风井的井口房须密闭，其它与抽出式相同。,,,,,,中央分列抽出式,中央分列式，又名中央边界式,中央分列抽出式进风井大致位于井田走向的中央，出风井大致位于井田浅部边界沿走向的中央。注意在井田走向的中央开凿主副井；主要通风机设在出风井口附近；在倾斜方向上，出风井和进风井相隔一段距离，出风井的井底高于进风井的井底。,中央分列压入式,中央分列压入式主要通风机安设在进风井口副井口附近，井口房须密闭，主井底和总进风须隔开，其它都与图9-2相同。,两翼对角抽出式,两翼对角抽出式进风井筒大致位于井田走向的中央，两个出风井筒分别位于两翼边界采区中央的浅部，主要通风机设在出风井口附近。为了开采深水平，有时把两翼风井设在两翼沿倾斜的中央和沿走向的边界附近。用斜井和平峒开拓时，可把图9-4中的立井改为斜井和平峒。,两翼对角压入式,两翼对角压入式进风井和出风井的位置与图9-4相同，只是在进风井口副井口附近安设压入式主要通风机，进风副井口须密闭，主井底和总进风须隔开。,分区对角抽出式,分区对角抽出式进风井大致位于井田走向的中央，在每个采区各掘一个小回风井，并分别安设抽出式分区主要通风机，可不必做总回风道。在图9-5中也可以用斜井代替立井，或者进风用垂直于走向或平行于走向的平峒，出风用斜井；或者进风和出风都用平峒。,分区对角压入式,分区对角压入式各出风井口不安设通风机，只在进风井口副井口附近安设压入式主要通风机，进风副井口要密闭，主井井底和总进风须隔开。,混合式,混合式是进风井与出风井由三个以上井筒按上述各种方式混合组成。包括中央分列与两翼对角混合式、中央并列与中央分列混合式等。图示为中央分列与两翼对角混合式通风系统。初期采用中央分列式通风系统，当开采到两翼边界时，则用中央分列与两翼对角混合式的通风系统。,二、矿井通风系统的选择,1.选择矿井通风系统的总原则投产较快，出煤较多、安全可靠、技术经济指标合理等。拟定通风系统的具体要求有1每个矿井和阶段水平之间都必须有两个安全出口；2进风井巷与采掘工作面的进风流的粉尘浓度不得大与0.5mg/m3；3新设计的箕斗井和混合井禁止作进风井，已作进风井的箕斗井和混合井必须采取净化措施，使进风流的含尘量达到上述要求；,4主要回风井巷不得作人行道，井口进风不得受矿尘和有毒有害气体污染，井口排风不得造成公害；5矿井有效风量率应在60％以上；6采场、二次破碎巷道和电耙道，应利用贯穿风流通风，电耙司机应位于风流的上风侧，有污风串联时，应禁止人员作业；,7井下破碎硐室和炸药库，必须设独立的回风道；8主要通风机一般应设反风装置，要求10min内实现反风，反风量大于40％。选择通风系统时，应根据矿体赋存条件和开采特点，拟定几个可行方案进行详细的技术经济比较，择优选出。,2.选择矿井主要通风机的工作方法,煤矿主要通风机的工作方法基本上分为抽出式与压入式两种，多采用抽出式通风方法，因为1抽出式主要通风机使井下风流处于负压状态。一旦主要通风机因故停止运转，井下风流的压力提高，有可能使采空区瓦斯涌出量减少，比较安全；压入式主要通风机使井下风流处于正压状态，当主要通风机停转时，风流压力降低，有可能使采空区瓦斯涌出量增加2采用压入式通风时，须在矿井总进风路线上设置若干构筑物，使通风管理工作比较困难，漏风较大。用抽出式通风可避免以上缺点。,2.选择矿井主要通风机的工作方法,3在地面小窑塌陷区分布较广，并和采区相沟通的条件下，用压入式通风能用一部分回风流把小窑塌陷区的有害气体带到地面。4过渡时期是新旧水平同时生产，战线较长，通风系统和风量变化较大。由压入式通风过渡到深水平抽出式通风时，有一定困难，有时还须额外增掘一些井巷工程，使过渡期限拉得过长；而用抽出式通风，就没有这些缺点。5在地面小窑塌陷区漏风严重、开采第一水平和低沼气矿井等条件下，采用压入式通风是比较合适的，否则，就不宜采用压入式通风。,3.选择矿井的通风方式,新建矿井多数是在中央并列式、中央分列式、两翼对角式和分区对角式等方式中进行选择。混合式是前几种方式的发展，多在老矿井的改建、扩建时使用。选择矿井通风方式一般是针对服务范围来确定的。如果矿井的服务年限不长10～20a，则服务范围为整个矿井；如果矿井范围较大，服务年限较长30～50a，则只考虑头15～25a的开采范围作为服务范围；这时服务范围往往是第一水平；或者包括第一、第二水平在内。对于服务范围之外的后期通风系统，设计中只作粗略的考虑。,1中央并列式的使用条件煤层倾角大、埋藏深，但走向长度不大≤4km，瓦斯、自然发火都不严重，在此条件下，采用中央并列式是比较合理的。2中央分列式的适用条件一般地说，这种通风方式适用于煤层倾角较小，埋藏较浅，走向长度不大≤4km，而且瓦斯，自然发火比较严重的新建矿井。与中央并列式相比，这种通风方式的安全性要好。,3两翼对角式的适用条件该种布置方式指对角风井位于浅部边界附近者适用于煤层走向较大超过4km、井型较大、煤层上部距地面较浅、瓦斯和自然发火严重的新建矿井，安全性较中央分列式还好，但初期投资更大。有些瓦斯等级不高，但煤层走向较长、产量较大的新矿井，也可采用这种通风方式。,4分区对角式的适用条件煤层距地表浅，或因地表高低起伏较大，无法开掘浅部的总回风道因会穿出地面，在此条件下，开采第一水平时，只能采用分区通风的布置方式。每个采区各有独立通风路线，互不影响，是这种通风方式的主要优点。对于一个实际条件下的矿井，往往有几种通风系统都可考虑，从技术分析和经济比较两方面考虑选定系统。,矿井通风系统确定后，还要①确定服务范围内的通风容易和通风困难两个时期的位置；②确定采区内的通风系统，即确定采用轨道上山还是运输上山进风；③确定采煤工作面采用U型、Z型、Y型还是W型通风系统，这些都要经过技术经济比较才能确定；④确定掘进头的数目和位置；⑤绘制两个时期的通风系统图、立体图和网络图。,9.2矿井总风量的计算和分配,矿井总风量＝各工作地点有效风量＋各风路漏风量,一、生产矿井所需风量,1．生产矿井所需风量的计算原则“由里往外”配风抽出式通风抽出式主要通风机的总风量＝矿井总风量＋因体积膨胀风量＋抽出式通风机井口和附属装置的允许漏风量压入式通风压入式主要通风机的总风量＝矿井总风量＋抽出式通风机井口和附属装置的允许漏风量,1、生产矿井所需风量,矿井的总回风量或总进风量计算Qwz＝∑Qai∑Qbi∑Qci∑QdiKwz，m3/min式中，∑Qai各回采工作面和备用工作面所需风量之和，m3/min；∑Qbi各掘进工作面所需风量之和；∑Qci各峒室所需风量之和；∑Qdi除上述各用风地点外，其它巷道所需风量之和；Kwz矿井风量备用系数，包括矿井内部漏风和配风不均匀等因素影响，与矿井通风方式有关，一般可取1.15～1.25。对于中央并列式，1.25；中央分列式和混合式，1.2；对角式，1.15。,2．生产矿井风量的分配,在各个用风地点（如掘进巷道和峒室等），将各用风点计算的风量值乘以备用系数Kwz，就是配给用风地点所在巷道的风量。但是采煤工作面的风量只配给各自计算的风量，由备用系数确定的风量考虑从采空区漏走的风量。因此在U型通风的上平巷和下平巷的风量是采煤工作面的计算风量乘以备用系数。,2．生产矿井风量的分配,,2．生产矿井风量的分配,从各个用风地点开始，逆风流方向而下，遇分风点则加上其它风路的分风量一起分配给未分风前那一条风路，作为该风路的风量。直至确定进风井筒的总进风量。这一风量应该等于刚才计算的矿井总风量。如果是压入式通风，则要加上矿井外部漏风量，才能得出通过压入式主要通风机的总风量。,2．生产矿井风量的分配,然后又从各个用风地点开始，顺风流方向而上，遇汇合点则加上其它风路的风量一起分配给汇合后那一条风路，作为该风路的风量。直至确定回风井筒的总回风量。这一风量也应该等于刚才计算的矿井总风量。如果是抽出式通风，则加上抽出式主要通风机井口和附属装置的允许漏风量即矿井外部漏风量，才能得出通过抽出式主要通风机的总风量。,二、新建矿井和延深矿井所需风量,新建矿井和延深矿井所需风量的设计，属于预先估计风量。设计时对于上述配风依据较难判准，而矿井类型繁多，条件各异，如何恰当地预定这种性质的风量，是目前还没有很好解决的重要问题。有条件时，要参照邻近生产矿井的通风资料，按生产矿井的风量计算方法细致进行，否则只好采用“由外往里”的计算方法，即先计算矿井的总风量，然后大致分配到各个用风地点。,二、新建矿井和延深矿井所需风量,对于低瓦斯矿井以工作面能够有良好的气候条件作为供风的依据，用下式计算矿井总风量Q＝TqK，m3/min式中T矿井平均日产量，t/d；q日产吨煤需风量，通过实际调查统计得出q＝1m3/min.t/d；K一风量备用系数，即K＝K1K4K5K6，这些系数的乘积介于l.5～1.9之间，可根据新建矿井的条件查表得出具体的数值。,二、新建矿井和延深矿井所需风量,对于高沼气矿井按总回风流中的沼气浓度不超过0.75的要求来计算矿井总风量Q＝（1/24600.75qgTK，m3/min式中qg矿井沼气平均相对涌出量，m3/t；T矿井平均日产量，t/d；K风量备用系数，即K＝K2K3K4K5，这些系数的乘积介于1.7～2.1之间，具体数值可查表查得。,二、新建矿井和延深矿井所需风量,无论是高沼气矿井，还是低沼气矿井都要按井下同时工作的最多人数来验算矿井总风量Q，取大值作为矿井的总风量Q＝4NK，m3/min式中N井下同时工作的最多人数，人;4以人数为计算单位的供风标准，m3/min；K风量备用系数，它是产量不均衡系数、备用工作面的风量系数和矿井内部漏风系数的总概括。采用中央并列式的通风系统时，K＝1.45；采用中央分列式或对角式通风系统时，K＝1.35。,二、新建矿井和延深矿井所需风量,新建矿井的风量分配是在算得的矿井总风量Q中，减去独立回风的掘进风量Qb和峒室风量Qc，再按以下原则对剩余的风量Qre进行大致的分配；各个回采工作面的风量，按照与产量成正比的原则进行分配；各个备用工作面的风量，按照它在生产时所需风量的一半进行分配。即Qre＝Q－Qb－Qcm3/min式中Qb所有独立回风的各个掘进工作面风量之和，m3/min；Qc所有独立回风的各个峒室风量之和，m3/min。,二、新建矿井和延深矿井所需风量,剩余风量Qre的分配方法是先用下式计算回采工作面日产一吨煤所需配给的风量q，即式中Ta各个回采工作面的日产量之和，即Ta∑ta，t/dta各个回采工作面的日产量，t/d；Ta各个备用工作面的计划日产量之和，即Ta＝∑ta，t/dta各个备用工作面计划日产量，t/d。,二、新建矿井和延深矿井所需风量,分配给各个回采工作面的风量为Qa＝qtam3/min分配给各个备用工作面的风量为Qa＝qta/2m3/min,三、新建矿井风量的分配,在各个用风地点如掘进巷道和峒室等，将计算的风量直接配给用风地点所在巷道。但在U型采煤工作面，不考虑从采空区漏走的风量，因此在上平巷和下平巷的风量与采煤工作面的风量相同。,三、新建矿井风量的分配,从各个用风地点开始，逆风流方向而下，遇分风点则加上其它风路的分风量一起分配给未分风前那一条风路，作为该风路的风量。直至确定进风井筒的总进风量。这一风量应该等于刚才计算的矿井总风量。如果是压入式通风，则要加上矿井外部漏风量，才能得出通过压入式主要通风机的总风量。,图名进风路线配风方法,三、新建矿井风量的分配,然后从各个用风地点开始，顺风流方向而上，遇汇合点则加上其它风路的风量一起分配给汇合后那一条风路，作为该风路的风量。直至确定回风井筒的总回风量。这一风量也应该等于刚才计算的矿井总风量。如果是抽出式通风，则加上抽出式主要通风机井口和附属装置的允许漏风量即矿井外部漏风量，得出通过抽出式主要通风机的总风量。,四、确定矿井总风量和各个分风量,通过以上的风量分配，初步确定了井下各个用风地点与它们的进风和回风路线上的各个风量必要时要算出局部地区各分支的自然分配风量。但是，各条风路上的风量还未最后确定，必须进行各条风路的风速校核，即用分配到各处的风量除以相应断面积，所得出的风速必须符合规程规定。各条风路的风量经过验算后，若符合风速要求，则各风路的风量可以确定；若低于规定风速，则增加该风路的风量；若超过规定风速，则扩大该风路断面或调整该风路风量，使风速降到规定值以下。最后，确定矿井总风量。,9.3计算井巷通风阻力,在选择矿井主要通风机之前，必须计算井巷通风总阻力。,一、计算的原则,（1）矿井通风的总阻力不得超过2940Pa；（2）矿井井巷的局部阻力，新建矿井（包括扩建矿井独立通风的扩建区）按井巷摩擦阻力的10％计算，扩建矿井按井巷摩擦阻力的15％计算；（3）矿井通风网路中若有较多的并联系统，计算阻力时，应以其中阻力最大的路线为依据；（4）计算出通风困难时期的最大阻力和通风容易时期的最小阻力，使得所选主要通风机既满足通风困难hrmax时期要求，又能在通风容易时期工况合理，而且在以后的通风管理中均可采用增阻法进行风量调节。,二、矿井通风总阻力的计算,通风系统阻力最小时称通风容易时期，通风系统总阻力最大时称通风困难时期。对于通风容易和困难时期分别画出通风系统图，按照采掘工作面和峒室的需要分配风量，再由各段风路的阻力计算矿井总阻力。对于有不同巷道断面的分支，要分段计算；对于小矿，一般只计算困难时期总阻力hrmax。,二、矿井通风总阻力的计算,矿井的摩擦总阻力按下式计算式中，hf矿井通风总阻力，Pa；Li、Ui、Si分别是井巷的长度m，净断周边长m，净断面积m2；Qi分配给各井巷的风量，m3/s；αi井巷摩擦阻力系数，N.s2/m4。根据各井巷的支架形式和断面在第三章α值表中查得的。,二、矿井通风总阻力的计算,沿着上述两条风路，将各区段的摩擦阻力hfi累加得到通风容易和困难时期总摩擦阻力hfe和hfd，并考虑适当的局部阻力系数局部阻力取总摩擦阻力的10％－15％，即可算出通风容易和通风困难两个时期的井巷通风总阻力分别为hrmin＝1.1～1.15hfe，Pahrmax＝1.1～1.15hfd，Pa式中，hrmax困难时期通风总阻力，Pa；hrmin容易时期通风总阻力，Pa。,计算了整个矿井的通风阻力后，需要对整个矿井的通风难易程度进行评价。评价的指标是两个时期矿井总风阻和总等积孔如果A＜1m2,表示矿井通风困难；如果A在1和2m2之间，表示通风难易为中等程度，如果A＞2m2，表示通风容易。,9.4选择矿井通风设备,矿井通风设备包括主要通风机及其电动机。,一、选择主要通风机,选择依据通风机的个体特性曲线1、计算通风机风压对于抽出式主要通风机，在通风容易时期的静风压应为hfsmin＝hrmin－hna，Pa式中hrmin容易时期最大阻力路线的阻力，Pa；hna容易时期帮助主要通风机通风的矿井自然风压，Pa；,一、选择主要通风机,抽出式主要通风机，在通风困难时期的静风压应为hfsmax＝hrmax＋hno，Pa式中hrmax困难时期最大阻力路线的阻力，Pa；hno通风困难时期反对主要通风机风压的矿井自然风压，Pa。根据当地气象资料或邻矿资料估计注意正负。同理，压入式的主通风机在通风容易和通风困难两个时期的全风压分别为hftmin＝hrmin－hna，Pahftmax＝hrmax＋hno，Pa,一、选择主要通风机,2、计算主通风机困难时期和容易时期的风量Qf1和Qf2；3、根据确定的hfmax、Qf1和hfmin、Qf2即设计工况点，从所选通风机的个体特性曲线上看设计工况点是否都落在合理工作范围内。,4、计算两时期的风阻Rmin和Rmax在选定的风机个体特性曲线图上画风阻曲线Rmin和Rmax，并从设计工况点向上延伸，与最近的个体特性曲线相交于两点，即实际工况点。5、确定满足通风要求的主要通风机的型号和转速,一、选择主要通风机,二、选择电动机,根据两时期主通风机的输入功率Nfimin和Nfimax计算出电动机的输出功率NeokW对于异步电动机，当Nfimin≥0.6Nfimax时，可选用一台功率较大电动机，输出功率Neo和输入功率Nei的关系为,当Nfimin0.6Nfimax时，选用两台电动机，功率为初期后期ke电动机容量备用系数，取1.1～1.2ηe电动机效率，取0.9～0.94大型电机取较高值；ηe传动效率，电动机与通风机直联时取1；皮带传动时取0.95。,二、选择电动机,二、选择电动机,根据以上所得出的Neo或Neomin或Nei或Neimin、ηe以及主要通风机所要求的转数n，在电动机技术特征手册上选用合适的电动机。根据周围的工作环境，通风机一般选用开启式或防护式电动机。一般情况下，当电动机功率小于200kW时，宜选用低压鼠笼式电动机；大于250kW时，宜选用高压鼠笼式电动机；大于400kW及以上时，宜选用同步电动机，优点是在低负荷运转时改善电网功率因数，使矿井经济用电，缺点是购置和安装费较高。,三、矿井通风设备的要求,根据矿井的瓦斯等级，主要通风设备应符合一下要求1矿井必须装设两部同等能力的通风机包括电动机，一套运转，一套备用，备用风机要求在10min内能够开动；2矿井的主要通风机房应有两路直接由变配电所输出的供电路线，线路上不应分接任何负荷；3主要通风机要有灵活可靠、合乎要求的反风装置和防爆门，要有规格质量符合要求的风峒和扩散器，分区主要通风机也应符合这个要求；4主局和电动机的机座必须坚固耐用，要设置在不受采动影响的稳定地层上。,9.5概算矿井通风费用,一般是计算吨煤的通风费用，即吨煤通风成本。一、每吨煤的通风电费先用下式计算主要通风机运转的耗电量Imf＝N1＋N236524/2ηeηvηξηt，kWh/a式中，N1、N2一年内最大和最小的主要通风机输入功率，kw；ηe主要通风机电动机的效率，可在电动机的技术特征表上查得，一般取0.9～0.95；ηv变压器的效率，一般取0.8；ηξ电线的输电效率，一般取0.95；ηt传动功率，直接传动时，取1.0，间接传动时取0.95。,同时，统计一年内局扇、辅扇的耗电量IefkWh/a。各类通风机在一年内的总耗电量为Is＝Imf＋Ief，kWh/a用下式计算每吨煤的耗电量I＝Is/T，kWh/t式中T一年内的矿井产煤量，t／a用下式计算每吨煤的通风电费E＝ID，元/t式中D每度电的费用，元/kWh,二、吨煤通风成本除每吨煤的通风电力费用外，还要统计下列费用1通风设备的折旧费和维修费。折旧费一般用通风设备的服务年限去除购置费，运输费和安装费的总和。2专为通风服务的井巷工程折旧费和维修费。这项折旧费是用这些井巷的服务年限去除建设费。3通风器材掘进通风和通风构筑物用的器材的购置费和维修费。4通风仪表的购置费和维修费。5通风区队全体人员的工资费。以上五项的每年支出除以矿井产量得到的吨煤费用再加上吨煤通风电力费就是吨煤通风成本。,9.6生产矿井的通风改造,生产矿井的通风改造包括增设新采区、开拓新水平、改变主通风机工作方法、改变矿井的通风系统、扩大矿井通风能力等。一、生产矿井通风改造的特点和要求生产矿井的通风设计比较复杂。新区设计不仅要保证新区施工和投产过程中的安全生产，而且要保证老区在这一过程中的安全生产，既要挖掘现有通风的潜力，充分利用现有的通风井巷，又要使它们和新建通风井巷和新选的通风设备协调起来。,二、生产矿井通风改造的基本步骤根据通风设计的服务范围，确定通风困难和通风容易两个时期，分别按以下内容和步骤进行具体设计1拟定矿井通风系统如果新开的采区在边远地区或在较深的水平，产量和瓦斯量增加较大，现有的通风能力不能满足时；或者因为井田重新划分、井型变化时，矿井通风系统往往需要较大调整或改变。,2计算与分配矿井总风量先计算各个用风地点的有效风量，然后由里往外推算进风路线上各分支的风量和回风路线上各分支的风量，有时还要计算某些网路内的自然分配风量。设计中的新区可以参考条件相同的老区数据3计算矿井通风总阻力确定系统中困难时期和容易时期的最大阻力路线，分别计算各条路线的通风阻力。当最大阻力路线通过正在生产的老区时，各风路的风阻值应该用实测数据；设计中的新区风路，可参考与老区相同风路的数据。,4局部风量调节采取风量按需调节的措施，设计中至少要制订出通风困难时的调节措施。5主要通风机的调节或选择要求各台主要通风机在通风困难和通风容易两个时期的工作点，都要落在各主要通风机特性曲线的合理工作范围内。6概算矿井通风费用。,复习思考题,9-1通风系统包括哪些部分9-2简述拟定矿井通风系统的原则和要求。9-3从防止瓦斯积聚、防尘降温等角度分析采煤工作面上行风与下行风各自的优缺点。9-4简述矿井通风设计的步骤。9-5矿井通风系统主要有哪几种类型说明其特点及适用条件。9-6试述矿井通风系统安全性评价的目的和作用。,
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